Por SPECTRUM IEEE – 01 de abril de 2022 (World energy trade)
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Una nueva pila de combustible genera electricidad de forma eficiente sin necesidad de costosos catalizadores con metales preciosos. El nuevo dispositivo se basa en un catalizador que consiste en un núcleo sólido de níquel rodeado por una cubierta de 2 nanómetros de grosor hecha de carbono dopado con nitrógeno. Los científicos afirman que es cinco veces superior a sus homólogos.
Las pilas de combustible de hidrógeno convencionales son muy prometedoras como fuentes de energía limpias y eficientes para vehículos y otras aplicaciones, pero dependen de catalizadores de metales preciosos que encarecen su coste. Ahora, los científicos han creado una pila de combustible de hidrógeno sin metales preciosos con un rendimiento y una durabilidad récord y con unos costes por catalizador prácticamente insignificantes.
El hidrógeno, el elemento más común del universo, ha sido promocionado durante mucho tiempo como una alternativa energética limpia y abundante a los combustibles fósiles o, al menos, como un amplio medio de almacenamiento de la energía generada por fuentes renovables para hacer funcionar grandes máquinas como trenes, aviones y camiones. Cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno en las pilas de combustible para generar electricidad, en lugar de producir contaminantes como los combustibles fósiles, el resultado es simplemente agua.
Las pilas de combustible de hidrógeno estándar se basan en productos químicos ácidos y en catalizadores de metales preciosos, como el platino, para impulsar las reacciones entre el hidrógeno y el oxígeno que generan electricidad. En cambio, las pilas de combustible de electrolito polimérico alcalino se basan en productos químicos alcalinos y pueden utilizar metales terrestres como catalizadores, eliminando la necesidad de metales preciosos. Sin embargo, estas últimas pilas de combustible siguen teniendo un rendimiento y una durabilidad inferiores a los de las pilas de combustible convencionales.
Ahora, los científicos han desarrollado una pila de combustible de electrolito polimérico alcalino sin metales preciosos con una densidad de potencia máxima sin precedentes que alcanza los 210 milivatios por centímetro cuadrado, es decir, más de cinco veces la potencia de sus homólogas anteriores.
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El nuevo dispositivo se basa en un catalizador formado por un núcleo sólido de níquel rodeado por una cubierta de 2 nanómetros de espesor hecha de carbono dopado con nitrógeno. Este catalizador se encuentra en el ánodo, donde el hidrógeno se oxida, o sea, pierde electrones, y se empareja con un catalizador de cobalto-manganeso en el cátodo, donde el oxígeno se reduce, o sea, gana electrones.
Las capas de carbono del nuevo catalizador anódico contribuyen a aumentar la velocidad de oxidación del hidrógeno, y el nitrógeno de estas capas de carbono puede servir para estimular la oxidación, aumentando así el rendimiento de la pila de combustible. Además, la cubierta del catalizador anódico impide que el níquel se oxide y forme óxidos de níquel que pueden ralentizar drásticamente la oxidación del hidrógeno y provocar el deterioro del catalizador.
El nuevo catalizador también ha demostrado ser mucho más tolerante al monóxido de carbono que el platino. La producción comercial de hidrógeno gaseoso suele generar trazas de monóxido de carbono, por lo que una alta tolerancia al monóxido de carbono es clave para las aplicaciones prácticas de las pilas de combustible de hidrógeno.
Los científicos descubrieron que su nueva pila de combustible podía funcionar de forma estable durante más de 100 horas. En comparación, otra pila de combustible sin metales preciosos que utilizaba nanopartículas de níquel dejaba de funcionar esencialmente en 5 horas.
Los científicos señalan que una pila de combustible convencional con catalizadores de metales preciosos que funcione bajo condiciones ácidas puede suministrar entre 1,2 y 1,5 vatios por centímetro cuadrado, aproximadamente entre cinco y siete veces más que la nueva pila de combustible.
Aun así, “hay que tener en cuenta que las pilas de combustible de tipo ácido llevan décadas desarrollándose, mientras que las alcalinas llevan menos de 10 años”, afirma el coautor del estudio, Héctor Abruña, electroquímico de la Universidad de Cornell en Ithaca (Nueva York). “Confiamos en que, con nuevos desarrollos y cierta optimización, podríamos llegar a 1 vatio por centímetro cuadrado dentro de dos o tres años, lo que supondría un avance importante y habilitador”.
Las investigaciones futuras podrían aumentar la durabilidad de la pila de combustible mejorando las membranas de soporte dentro del dispositivo, dice Abruña. “Aunque estos resultados son muy prometedores, aún queda mucho trabajo por hacer antes de que estos dispositivos puedan utilizarse ampliamente”, señala.
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